ConcurrentHashMap学习

概述

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ConcurrentHashMap绝对是编码的经典之作，里面的设计思想可以开拓我们的编程思路。想在高并发多线程环境使用一个Map的话，ConcurrentHashMap是首选，它不只性能高，还是线程安全的。

我们最常使用的HashMap是线程不安全的,可以参考HashMap多线程下发生死循环的原因

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减小锁的粒度

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HashTable虽然是线程安全的，但是所用的锁的粒度是容器级别的，在高并发的情况下，多个线程都在抢夺一把锁，抢不到锁的线程会被挂起，等着被再次调度，这样就有很多上下文切换的开销。

如果把Map里面的数据进行分段，每个段配置一把锁，在高并发的情况下，线程与线程之间修改的数据如果不是同一个段的，就可以各自修改各自段里面的数据。
这样多个线程就可以并发修改和访问不同段中的数据，无需获取容器级别的锁了,只需要获取段的锁，大大提高了效率。

ConcurrentHashMap也是使用减小锁粒度这种方式来提高并发效率的。它将数据分段存储，每个段配置一把锁。

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Segment段的定位

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既然使用了分段存储数据的方式，那么无论是读取还是修改，第一步就是定位到对应的segment。ConcurrentHashMap会对key的hashcode进行再哈希，目的是减少hash冲突。然后使用下面的公式算出key对应的segment数组的下标：

(hash >>> segmentShift) & segmentMask

segment的长度设置

可以通过构造函数中的concurrencyLevel参数，并经过一定的算法得出segment的长度。

注意：如果Segment数组的长度太短，则带来更多的锁竞争，如果长度太长，则原本位于同一个Segment内的访问会扩散到不同的Segment中，会引起程序性能下降。

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段里面的HashEntry数组中的元素定位

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当成功的定位到segment后，还需要定位到segment中的Entry数组的下标。
segment里面存储的是一个HashEntry数组。

(table.length - 1) & hash

其中table指就是段中的HashEntry数组，使用上面的公式得到段中HashEntry数组的下标。无论是获取元素还是插入元素都是这样得到下标的。

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数据结构图

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put操作

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1、先判断key对应的segment是否存在，如果不存在，则调用ensureSegment方法创建一个segment。

注意：ensureSegment方法在并发情况下可能有问题，但是该方法并没有使用加锁的办法来保证线程安全，而是结合CAS来保证创建一个segment的原子性。关于CAS的内容，可以参考学习一下CAS

2、 由于是写操作，先获取segment的锁，如果获取不到，不会使用互斥锁，而是使用自旋锁，尽量避免线程一开始就被挂起，先重试，一直到重试失败的次数到达阈值，当前线程才挂起。使用自旋锁可能是基于下面原因：

就算锁被其他线程获取了，也不会获取太久,很快会释放。

3、获取锁成功后，先判断是否有相同的key，如果有，则覆盖，没有则创建一个HashEntry，作为链表的头。如果segment里面的HashEntry的个数已经超过阈值，则进行段内的扩容(注意：不会对整个容器进行扩容)。
扩容的时候，为了不影响get操作，会创建新的HashEntry节点，旧的HashEntry节点仍然留着(有点copy-on-write的味道，请看线程安全的CopyOnWriteArrayList介绍)。
不过在理解Segment的扩容时，最好先了解一下HashMap的扩容流程，可以参考HashMap扩容

4、释放锁

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get操作

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get操作就比较简单了，有一点需要提的就是，整个get的过程是不需要加锁的，原因是HashEntry中的变量是volatile类型的：

volatile V value;
volatile HashEntry<K,V> next;

关于volatile的文章，可以参考学习volatile关键字

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size操作

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这个操作的实现也是有些难度的，原因是数据分段存储的，而且每个分段的元素也可能在不断的变化，ConcurrentHashMap使用如下思路进行处理：
1、首先不加锁循环所有的Segment，获得所有Segment的modcount之和。如果连续两次所有Segment的modcount和相等，则过程中没有发生其他线程修改ConcurrentHashMap的情况，返回获得的值。

2、如果modcount和上次不一样，则需要对所有segment加锁，然后进行统计。

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参考的文章

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1. 深入分析ConcurrentHashMap
2. ConcurrentHashMap之实现细节
3. 构建一个更好的 HashMap
4. 并发集合类
5. 探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制
6. Java Core系列之ConcurrentHashMap实现(JDK 1.7)
7. ConcurrentHashMap总结
8. ConcurrentHashMap实现原理——Java并发容器